黃志成,趙林度,王 敏,歐陽嬌

(東南大學經(jīng)濟管理學院，江蘇 南京 210096)

碳排放交易制度差異下的國際供應(yīng)鏈生產(chǎn)計劃問題

黃志成,趙林度,王 敏,歐陽嬌

(東南大學經(jīng)濟管理學院，江蘇 南京 210096)

面臨全球氣候變化的壓力，越來越多的國家已經(jīng)開始實施各項政策限制企業(yè)碳排放。本文以國際供應(yīng)鏈環(huán)境中的生產(chǎn)商為研究主體，基于地區(qū)間碳排放交易制度差異構(gòu)建國際供應(yīng)鏈生產(chǎn)計劃模型，以實現(xiàn)生產(chǎn)商的總成本最小化，其中考慮了變動和固定碳排放交易價格兩種碳排放交易制度。此外，引入了碳配額和碳價同步調(diào)整措施，并分別從地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和減排角度、生產(chǎn)商成本和碳排角度，以及供應(yīng)鏈成本和碳排角度分析了碳排放交易制度差異帶來的影響。本文提出的一類考慮碳排放交易制度差異的國際供應(yīng)鏈生產(chǎn)計劃模型，為國際供應(yīng)鏈制定生產(chǎn)計劃以及工廠選址提供決策支持，并為國際和地區(qū)內(nèi)碳排放交易制度制定者提供理論建議。

國際供應(yīng)鏈;碳排放交易制度;生產(chǎn)計劃;低碳

1 引言

在過去幾年，碳排放引起的氣候變化問題已經(jīng)引起世界各國的關(guān)注并達成廣泛共識，如果人類不采取措施控制碳排放，未來全球氣候?qū)l(fā)生劇烈的變化[1]。很多國家和地區(qū)已經(jīng)開始實施各項政策限制企業(yè)的碳排放。歐盟實施的EU ETS體系是目前全球最大的碳排放交易體系，涵蓋了31個國家超過11000家發(fā)電站和工廠，目標是在2020年將碳排放量相比2005年降低21%。2015年9月，中國宣布將在2017年啟動覆蓋全國重點行業(yè)的碳排放交易體制。低碳已經(jīng)成為企業(yè)運營的主題之一，如何從供應(yīng)鏈運營管理的角度降低企業(yè)碳排放成為企業(yè)面臨的重要課題[2-4]。

很多學者從供應(yīng)鏈運營角度探討了生產(chǎn)計劃中的減排策略[2,5-6]。例如，Absi等[5]探究了碳排放約束的生產(chǎn)批量計劃問題，并分別求解四種不同的碳排放約束模型。一些學者從其他角度進行分析，例如，F(xiàn)ankhauser等[7-8]從經(jīng)濟學角度分析了碳排放交易市場的設(shè)計。Hua Guowei等[9]從供應(yīng)鏈庫存管理角度分析碳排放交易、碳排放稅以及硬性碳排放限制對庫存管理的訂貨決策、碳排放以及總成本的影響。Bouchery和Fransoo[10]從運輸角度，研究了卡車火車聯(lián)合運輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，其中涉及轉(zhuǎn)化節(jié)點選址以及運輸工具選擇整合等決策。Zakeri等[11]從供應(yīng)鏈計劃角度對比碳排放稅政策和碳排放交易政策的適用性，得出碳排放交易政策在減少碳排放量、控制成本和提高供應(yīng)鏈服務(wù)水平等方面更具優(yōu)勢。方健和徐麗群[12]探討了碳政策下的供應(yīng)商選擇問題。周艷菊等[13-14]研究了供應(yīng)鏈中的減排成本分擔模型以達到協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈的目的。也有些學者著重研究了碳排放交易制度下的供應(yīng)鏈運營決策[15-16]。

然而當前尚未有研究考慮地區(qū)間碳排放交易制度差異，從國際供應(yīng)鏈視角研究企業(yè)生產(chǎn)計劃。當國際供應(yīng)鏈涉及的各國家地區(qū)實施價格機制不同的碳排放交易制度時，企業(yè)的碳排放以及運營成本將受到直接影響。本文在地區(qū)碳排放交易制度差異背景下探討國際供應(yīng)鏈生產(chǎn)計劃問題，通過比較不同價格機制對成本和碳排的影響，為跨國企業(yè)提供生產(chǎn)計劃決策，并為碳政策制定者提供理論建議。

2 問題描述與假設(shè)

本文考慮一個國際供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)模型，由生產(chǎn)商、承運商和客戶組成，如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)包括四個層次的供應(yīng)鏈節(jié)點：生產(chǎn)商s、配送中心o和d以及客戶c。生產(chǎn)商是一個跨國企業(yè)，在地區(qū)A和地區(qū)B都有若干個工廠。產(chǎn)品在生產(chǎn)地完成后，生產(chǎn)商將產(chǎn)品運輸?shù)脚渌椭行?，承運商負責將產(chǎn)品發(fā)往地區(qū)C和D的客戶。配送中心o和d分別表示承運商在生產(chǎn)商區(qū)域和客戶區(qū)域的配送中心。承運商可以通過公路將產(chǎn)品從配送中心o運送給客戶，也可以通過鐵路運輸至配送中心d再由公路運輸給客戶。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在礦產(chǎn)品或化工產(chǎn)品供應(yīng)鏈中比較常見，通常生產(chǎn)地集中在某個地區(qū)，產(chǎn)品銷往其他地區(qū)。

圖1 一個國際供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)示意圖

該網(wǎng)絡(luò)中的地區(qū)A和地區(qū)B屬于不同的國家，采取的碳排放交易制度也存在差異。碳排放交易制度是指企業(yè)擁有一定限額的碳排權(quán)，稱為碳排放配額。如果碳排超出該配額，則企業(yè)需要在碳排放市場上購買額外的碳排權(quán)；如果碳排放配額有剩余，則可在碳排放市場上出售。本文考慮的碳排放交易制度差異主要體現(xiàn)在碳排放交易價格機制上，即固定或變動碳排放交易價格機制。固定碳排放交易價格是指碳排放交易市場上單位碳排放交易價格保持穩(wěn)定。變動碳排放交易價格是指單位碳排放交易價格會隨著交易量的增加而上升。本文假設(shè)地區(qū)A和地區(qū)B的單位碳排放交易價格分別服從下列函數(shù)：

(1)

(2)

碳排放交易制度下企業(yè)的碳排量與運營成本直接相關(guān)。面對國際環(huán)境中碳排放交易制度差異，企業(yè)科學合理地制定生產(chǎn)計劃和運輸計劃顯得尤為重要。生產(chǎn)商需要一類碳排放交易制度差異下供應(yīng)鏈生產(chǎn)計劃模型實現(xiàn)自身成本的最小化，并為其生產(chǎn)計劃提供相關(guān)決策支持。本文模型假設(shè)包括以下幾個方面：1)生產(chǎn)商掌握客戶需求的全部信息，客戶需求是確定的且必須及時得到滿足，不接受補貨；2)客戶只訂購一種產(chǎn)品，生產(chǎn)商只生產(chǎn)一種產(chǎn)品；3)供應(yīng)鏈運營的碳排放量計算遵從公式：碳排放量=活動數(shù)據(jù)×排放因子；4)每個生產(chǎn)周期均需要進行生產(chǎn)準備，生產(chǎn)準備過程產(chǎn)生一定的碳排放。

3 模型的建立

3.1 符號定義及模型構(gòu)建

本文模型所使用的符號定義匯總在表1中。

表1 模型的符號定義

參數(shù):ks:生產(chǎn)階段的碳排放系數(shù)(千克/噸)變量:Ys,t:=1工廠s在周期t內(nèi)進行了生產(chǎn);=0其他情況qs,t:工廠s在周期t內(nèi)的生產(chǎn)量RTi,j,t:在周期t內(nèi)的供應(yīng)鏈節(jié)點i和j之間的公路運輸量,i,j∈S,O{}∪O,C{}∪{D,C}TTi,j,t:在周期t內(nèi)的供應(yīng)鏈節(jié)點i和j之間的鐵路運輸量,i,j∈O,D{}Ii,t:在周期t內(nèi)的供應(yīng)鏈節(jié)點i的庫存持有量,i∈S,O,D{}eA+:在地區(qū)A碳排放交易市場上,生產(chǎn)商購買的碳排放量eA-:在地區(qū)A碳排放交易市場上,生產(chǎn)商出售的碳排放量eB+:在地區(qū)B碳排放交易市場上,生產(chǎn)商購買的碳排放量eB-:在地區(qū)B碳排放交易市場上,生產(chǎn)商出售的碳排放量

本文中決策主體為生產(chǎn)商，目標為實現(xiàn)其總成本最小化。目標函數(shù)見式(3)，前三項分別是生產(chǎn)商的生產(chǎn)準備成本、庫存成本和SO之間的運輸成本。第四項(包含括號內(nèi))表示的是生產(chǎn)商需要向承運商支付的運輸成本。括號內(nèi)為承運商的實際運輸成本，假設(shè)承運商收取5%的運輸成本作為其利潤，所以生產(chǎn)商的運輸成本為實際運輸成本的1.05倍。最后兩項為碳排放交易對總成本的影響。

(3)

s.t.qs,t≤Cs*Ys,t?s∈S,t∈1…T

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Is,0,Io,0,Id,0=0 ?s∈S,?o∈O,?d∈D

(11)

RTo,c,t,RTs,o,t,TTo,d,t,RTd,c,t≥0

?s∈S,?o∈O,?d∈D,?c∈C

(12)

Ys,t∈{0,1} ?s∈S,t∈1…T

(13)

式(4)為生產(chǎn)能力約束。式(5)和式(6)是生產(chǎn)商在地區(qū)A和地區(qū)B的碳排放約束。式(7)-(9)為供應(yīng)鏈各個節(jié)點的庫存均衡限制。式(10)表示客戶的需求必須及時得到滿足。式(11)表示初始庫存為0。式(12)和(13)是對運輸量和生產(chǎn)準備變量的約束。

3.2 模型的線性化

(14)

(15)

(16)

經(jīng)過線性化的模型，目標函數(shù)為式(15)，約束條件為(4)-(13)以及式(16)。

4 數(shù)值計算與分析

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文使用軟件Cplex 12.6求解，運行環(huán)境為CPU 2.5Hz，RAM 16GB，采用Meisel等[12]提供的數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析。算例描述了一個大規(guī)模生產(chǎn)運輸網(wǎng)絡(luò)問題，包括12個工廠、6個配送中心o、8個配送中心d以及79個客戶c。Meisel 等(2013)提供了供應(yīng)鏈節(jié)點之間的距離di,j、客戶需求demc,t、生產(chǎn)能力Cs、運輸費率tci,j和rci,j、庫存持有成本hi以及生產(chǎn)準備成本fcs的數(shù)據(jù)[12]。本文在此基礎(chǔ)上對算例數(shù)據(jù)進行如下預(yù)處理：

表2 生產(chǎn)商各工廠的碳排放系數(shù)

4.2 算例分析

4.2.1 地區(qū)間碳排放交易制度差異對生產(chǎn)商生產(chǎn)計劃的影響

從圖2中可以看到，當aA和aB取值相同時，隨著b值從0到0.25逐漸增大，地區(qū)A的碳排成本上升，地區(qū)B的碳排成本相對下降。生產(chǎn)商將部分生產(chǎn)量從地區(qū)A轉(zhuǎn)移至地區(qū)B。生產(chǎn)量的轉(zhuǎn)移取決于aA和aB值。當aA和aB的取值為10時，生產(chǎn)量的轉(zhuǎn)移大于aA和aB為50時的轉(zhuǎn)移量。這是因為當aA和aB為10時，b值變化所引起的碳排成本相對變化幅度更大。

當aA和aB取值不同且b=0時可以看到，地區(qū)A的碳排成本低于地區(qū)B，生產(chǎn)商將更多的生產(chǎn)量轉(zhuǎn)移到地區(qū)A。隨著b值的增加，地區(qū)A的碳排成本上升，生產(chǎn)商將產(chǎn)量轉(zhuǎn)移到碳排成本更低的地區(qū)B。產(chǎn)量轉(zhuǎn)移引起庫存成本、運輸成本、承運成本以及生產(chǎn)準備成本的復(fù)雜變化。當生產(chǎn)轉(zhuǎn)移減少的碳排成本和增加的運營成本達成平衡時，兩地產(chǎn)量保持穩(wěn)定。

4.2.2 地區(qū)間碳排放交易制度差異對生產(chǎn)商碳排量的影響

圖3描述了地區(qū)間碳排放交易差異對生產(chǎn)商各地區(qū)以及總碳排量的影響。圖中地區(qū)A和地區(qū)B的初始碳排量是指在不考慮碳排約束情況下生產(chǎn)商以最優(yōu)成本運營時的碳排量。生產(chǎn)商總碳排量是指地區(qū)A和地區(qū)B的碳排量總和。

圖2 不同碳排放交易制度對生產(chǎn)商生產(chǎn)計劃的影響

圖3 不同碳排放交易制度對生產(chǎn)商碳排量的影響

碳排放交易制度差異導致生產(chǎn)商將產(chǎn)量轉(zhuǎn)移到碳排成本更低的地區(qū)，造成個別地區(qū)雖然實施了碳排放交易制度但碳排增多的現(xiàn)象。本算例中，由于地區(qū)A實施了變動碳排放交易價格，隨著b值的增加，地區(qū)B成為碳排成本較低的地區(qū)，使生產(chǎn)商在地區(qū)B的碳排量上升，地區(qū)A的碳排量下降。因此，碳排放交易制度實施的效果，不僅取決于國內(nèi)環(huán)境，也受國際碳排放交易制度影響。制度制定者需要考慮這種影響，避免造就“碳排成本洼地”。只有這樣才能通過碳排放交易制度，有效降低一個地區(qū)內(nèi)的碳排。從全局碳排的角度來看，雖然碳排放交易制度差異造成了某些地區(qū)碳排量的增加，但是隨著b值的增加，生產(chǎn)商總碳排量在逐漸下降。這意味著個別地區(qū)碳排成本的上升，雖然引起碳排的轉(zhuǎn)移，但是仍然可以降低生產(chǎn)商的總碳排量。

4.2.3 碳配額和碳價同方向同比例調(diào)整的影響

圖4 碳配額和碳價同時調(diào)整對生產(chǎn)商生產(chǎn)計劃的影響

從圖4中可以看到，在A、B兩地基本碳價相同時，兩組數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)相似的變化趨勢。當調(diào)整系數(shù)小于0.8時，A、B兩地生產(chǎn)量大致保持穩(wěn)定；當調(diào)整系數(shù)從0.8升至0.9時，A地生產(chǎn)量顯著上升，B地生產(chǎn)量顯著下降；之后A、B兩地生產(chǎn)量再次趨于穩(wěn)定。從該現(xiàn)象可以看出， A地分廠更青睞高碳排配額和高碳價組合的碳制度，B地分廠則更適應(yīng)低碳排配額和低碳價組合的碳制度。這是因為與B地相比，A地碳排超量懲罰成本更高，所以寬松的碳排限制更加適合A地分廠；B地分廠則更關(guān)注碳價。即使在高碳排配額和高碳價組合的碳制度下，A地分廠也僅能和B地分廠取得相同的競爭地位。另外，當A地基本碳價顯著低于B地時，相比于A、B兩地基本碳價相同的情況，A地生產(chǎn)量有明顯上升，尤其當調(diào)整系數(shù)大于1時。從中可以得出結(jié)論，在碳配額和碳價同時調(diào)整的措施下，A地應(yīng)該降低其基本碳價來獲取更多訂單，且高碳排配額和高碳價組合的碳制度對A地發(fā)展經(jīng)濟更有好處。

圖5 碳配額和碳價同時調(diào)整對A、B兩地和生產(chǎn)商總碳排的影響

圖5中顯示，當A、B兩地基本碳價相同時，基本碳價高時各地碳排減少，從而驗證了提高碳價可以抑制碳排。在A地基本碳價顯著低于B地時，相比于A、B兩地基本碳價相同的情況，A地碳排顯著上升，B地碳排顯著下降，生產(chǎn)商總碳排略微上升，驗證了碳排向碳排成本低地區(qū)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。生產(chǎn)商總碳排的上升反映出地區(qū)間基本碳價差異不利于生產(chǎn)商減排。另外，當碳配額和碳價調(diào)整系數(shù)逐漸增大時，A地碳排增多，B地碳排下降，生產(chǎn)商總碳排上升。因此可以得到結(jié)論，高碳配額和高碳價組合的碳制度能夠促進B地減排，但不利于A地和生產(chǎn)商減排。

圖6 碳配額和碳價同時調(diào)整對供應(yīng)鏈總成本和總碳排的影響

從圖6可知，當A、B兩地基本碳價相同時，碳價高會導致供應(yīng)鏈總成本升高。當A地基本碳價顯著低于B地且調(diào)整系數(shù)小于1時，供應(yīng)鏈總成本具有顯著優(yōu)勢；而當調(diào)整系數(shù)大于1后，A、B兩地基本碳價相同更具優(yōu)勢。另外，三組數(shù)據(jù)的供應(yīng)鏈總成本最低點均位于調(diào)整系數(shù)等于1的位置，為供應(yīng)鏈設(shè)計者提供選址方面的決策支持。

從供應(yīng)鏈總碳排角度來看，當調(diào)整系數(shù)小于0.8時，A、B兩地基本碳價相同且為低碳價時碳排最高，當調(diào)整系數(shù)大于0.8后，在大部分區(qū)間，A地基本碳價顯著低于B地的情況下碳排最高，這一現(xiàn)象說明在碳配額十分富余的情況下地區(qū)間基本碳價差異不利于整體減排。而當調(diào)整系數(shù)小于1時，A、B兩地基本碳價相同且為高碳價時碳排最低，當調(diào)整系數(shù)大于1后，反而是低碳價時碳排最低。這一現(xiàn)象說明了，在碳配額十分富余的情況下，低碳價反而能促進供應(yīng)鏈減排。另外，三組數(shù)據(jù)的供應(yīng)鏈總碳排最低點大多位于調(diào)整系數(shù)為0.8的位置，這為國際碳制度制定者提供了政策制定方面的建議。

5 結(jié)語

全球變暖已成為人類面臨的共同挑戰(zhàn)，很多國家已經(jīng)開始實施各項制度限制企業(yè)碳排。在國際供應(yīng)鏈背景下，本文基于地區(qū)間碳排放交易制度差異構(gòu)建國際供應(yīng)鏈生產(chǎn)計劃模型，為跨國生產(chǎn)商提供生產(chǎn)量決策以實現(xiàn)總成本最小化。模型中考慮了變動和固定碳排放交易價格兩種碳排放交易制度，并通過分析碳排放交易制度差異的影響，為生產(chǎn)商、國際供應(yīng)鏈和碳制度制定者提供可行的建議。

通過分析地區(qū)間碳排放交易制度差異對供應(yīng)鏈生產(chǎn)計劃的影響，本文驗證了企業(yè)向碳排成本更低地區(qū)轉(zhuǎn)移生產(chǎn)量的傾向，當生產(chǎn)轉(zhuǎn)移減少的碳排成本和增加的運營成本達成平衡時，產(chǎn)量轉(zhuǎn)移不再發(fā)生。從各地碳排角度看，地區(qū)間碳制度差異導致有些地區(qū)雖然實施了碳制度但碳排升高的現(xiàn)象。從而啟示碳制度制定者在制定本國或地區(qū)碳排放交易制度時，不僅要考慮國內(nèi)情況也要考慮國際碳排放交易制度的影響。從生產(chǎn)商角度看，碳制度差異會帶來產(chǎn)量和碳排的地區(qū)間轉(zhuǎn)移，且總碳排量也會下降。這更凸顯了本文模型的重要意義，能夠為跨國企業(yè)提供決策支持以實現(xiàn)成本和碳排的降低。

另外，本文分析了碳配額和碳價同方向同比例調(diào)整的影響。從地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展角度看，為了爭取生產(chǎn)訂單，不同碳排放交易價格機制下的地區(qū)對碳配額和碳價組合的碳政策存在不一樣的偏好，變動碳排放交易價格機制下的地區(qū)更青睞高碳排配額和高碳價組合。從地區(qū)減排角度看，高碳配額和高碳價組合的碳制度不利于變動碳排放交易價格機制下的地區(qū)和生產(chǎn)商的減排，但能促進固定碳排放交易價格機制下的地區(qū)減排。此外，本文還分析了調(diào)整系數(shù)對于供應(yīng)鏈整體成本和碳排的影響，進而為供應(yīng)鏈設(shè)計者提供選址方面的決策支持，并為國際碳制度制定者提供理論建議。

致謝：本文獲得國家自然科學基金重大項目課題—低碳和安全物流運營管理(71390333)資助。

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Research on International Supply Chain Production Planning with the Considerationof Different Carbon Emission Cap-and-trade Systems

HUANGZhi-cheng,ZHAOLin-du,WANGMin,OUYANGJiao

(School of Economics and Management, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to curb global climate change caused by carbon emission, an increasing amount of governments have launched carbon emission cap-and-trade systems to motivate emission reduction in their countries. The different carbon emission cap-and-trade systems in different countries or regions bring both challenge and opportunity to multinational corporations. The challenge lies on carbon emission reduction because emission causes extra operational cost. While corporations can take the opportunity to reduce operational cost by reallocating production in different regions. Therefore, under the background of international supply chain, traditional supply chain production planning model is extended and two cap-and-trade systems, one with fixed carbon emission price and another with variable carbon emission price are considered. After solving the international supply chain production planning model under different carbon cap-and-trade systems, the influence of different carbon emission price mechanisms and synchronous adjustment of carbon cap and trading price is analyzed. The influence analysis is made from perspectives of regions, the manufacturer, and the whole supply chain. It is shown that the production planning model established in our paper provides decision support for international supply chains on production allocation and factory location, and also brings suggestions to international and regional carbon policy-makers to reduce carbon emission.

international supply chain; carbon emission cap-and-trade system; production planning; low carbon

1003-207(2017)11-0058-08

10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2017.11.006

F062.1

A

2016-01-22；

2017-03-24

趙林度(1965-)，男(漢族)，山東煙臺人，東南大學經(jīng)濟管理學院教授，研究方向：供應(yīng)鏈管理，E-mail：ldzhao@seu.edu.cn.